Дополнительно были предприняты меры для того, чтобы обеспечить соответствие стандарта ANSI (американского) стандарту, предложенному ISO (International Standard Organization - Международная организация по стандартизации). Благодаря этому язык C оказался, пожалуй, единственным языком программирования, который эффективно применяется в разноязычных средах с различными кодовыми таблицами. В табл. 5.1. перечислены некоторые аспекты языка C, стандартизированные комитетом ANSI.

От С к С++ и объектно-ориентированному программированию

Язык C++ сочетает все возможности, предоставляемые языком C, и средства объектно-ориентированного программирования. Он позволяет решать задачи на достаточно высоком уровне абстракции, превосходя в этом отношении даже язык Ada, поддерживает модульное программирование, как в Modula-2, и сохраняет при этом простоту, компактность и эффективность языка C.

В этом языке органично сочетаются стандартные процедурные подходы, хорошо знакомые большинству программистов, и объектно-ориентированные методики, позволяющие находить объектные решения поставленных задач. На практике в одном приложении на языке C++ можно использовать одновременно как процедурные, так и объектно-ориентированные принципы. Этот дуализм языка C++ представляет собой особую проблему для начинающих программистов, поскольку от них требуется не только изучить новый язык программирования, но и освоить новый стиль мышления и новые подходы к решению задач.

Из истории языка C++

Вряд ли вас удивит тот факт, что языки C++ и C имеют общие корни. В то же время C++ впитал в себя многие идеи, реализованные не только в языках BCPL и Algol 60, но и в Simula 67. Возможность перегрузки операторов и объявления переменных непосредственно перед их первым использованием сближает C++ с языком Algol 60. Концепция подклассов (или производных классов) и виртуальных функций заимствована из Simula 67. Впрочем, все популярные языки программирования представляют собой набор усовершенствованных средств и функций, взятых из других, более ранних, языков программирования. Но, безусловно, язык C++ наиболее близок к языку C.

Язык C++ разработан в начале 80-х Бьярном Страуструпом (Bjarne Stroustrup), сотрудником компании Bell Labs. Сам доктор Страуструп утверждает, что название C++ было предложено Риком Масситти (Rick Mascitti). C++ изначально предназначался для разработки некоторых высокоточных моделей событий, поскольку необходимый уровень эффективности не мог быть достигнут с помощью других языков программирования. Впервые C++ был использован вне стен лаборатории доктора Страуструпа в 1983 г., но еще до лета 1987 г. шли работы по отладке и совершенствованию этого языка.

При создании языка C++ особое внимание уделялось сохранению совместимости с языком С. Необходимо было сохранить работоспособность миллионов строк программных кодов, написанных и скомпилированных на C, а также доступ к множеству разработанных библиотек функций и средств программирования языка C. Следует отметить, что в этом направлении были достигнуты значительные успехи. Во всяком случае многие программисты утверждают, что преобразование программных кодов от C к C++ выполняется значительно проще, чем это происходило ранее, например, при переходе от языка FORTRAN к C.

С помощью C++ можно создавать широкомасштабные программные проекты. Благодаря тому, что в языке C++ усилен контроль за типами данных, удалось преодолеть многие побочные эффекты, характерные для языка C.

Но наиболее важным приобретением языка C++ все-таки является объектно-ориентированное программирование (ООП). Чтобы воспользоваться всеми преимуществами C++, пришлось изменить привычные подходы к решению задач. Основная проблема заключается теперь в определении объектов и связанных с ними операций, а также в формировании классов и подклассов.

Эффективность объектно-ориентированного подхода

Остановимся ненадолго на объектно-ориентированном программировании, чтобы на примере показать, как использование абстрактных объектов языка C++ может облегчить решение прикладных задач. Предположим, нужно написать программу на языке FORTRAN для оперирования таблицей успеваемости студентов. Для решения этой задачи потребуется создать ряд массивов, представляющих различные поля таблицы. Все массивы должны быть связаны общим индексом. Для создания таблицы из десяти полей необходимо запрограммировать доступ к десяти массивам с помощью единого индекса, чтобы данные из разных массивов возвращались как единая запись таблицы.

В C++ решение этой задачи сводится к объявлению простого объекта student_database, способного принимать сообщения add_student, delete_student, access_student и display_student для оперирования данными, содержащимися в объекте. Обращение к объекту student_database реализуется очень просто. Допустим, нужно добавить новую запись в таблицу. Для этого достаточно ввести в программу следующую строку:

student_database.add_student(new_recruit)

В данном примере функция add_student() является методом класса, связанного с объектом student_database, а параметр new_recruit представляет собой набор данных, добавляемый в таблицу. Обратите внимание на то, что класс объектов student_database не является встроенным типом данных языка C++. Наоборот, мы расширили язык программирования собственными средствами, предназначенными для решения конкретной задачи. Возможность создавать новые классы или модифицировать существующие (порождать от них подклассы) позволяет программисту естественным образом устанавливать соответствие между понятиями предметной области и средствами языка программирования.

Незаметные различия между языками C и C++

Ниже мы рассмотрим некоторые отличия языка C++ от C, не связанные с объектным программированием.

Синтаксис комментариев

В C++ комментарии могут вводиться с помощью конструкции //, хотя старый метод маркирования блока комментариев посредством символов /* и */ по-прежнему допустим.

Перечисления

Имя перечисления является названием типа данных. Это упрощает описание перечислений, поскольку устраняет необходимость в указании ключевого слова enum перед именем перечисления.

Структуры и классы

Имена структур и классов являются названиями типов данных. В языке C понятие класса отсутствует. В C++ нет необходимости перед именами структур и классов указывать ключевое слово struct или class.

Область видимости в пределах блока

Язык C++ дает возможность объявлять переменные внутри блоков программного кода, то есть непосредственно перед их использованием. Переменная цикла может объявляться даже внутри инициализатора цикла, как в следующем примере:

// Объявление переменной непосредственно в месте ее использования
for(int index = 0; index < MAX_ROWS; index++)

Оператор расширения области видимости

Для разрешения конфликтов, связанных с именами переменных, введен оператор ::. Например, если некоторая функция имеет локальную переменную vector_location и существует глобальная переменная с таким же именем, то выражение ::vector_location позволит обратиться к глобальной переменной в пределах указанной функции.

Ключевое слово const

С помощью ключевого слова const можно запретить изменение значения переменной, данных, адресуемых указателем, и даже значения адреса, хранящегося в самом указателе.

Безымянные объединения

Безымянные объединения могут быть описаны всюду, где допускается объявление переменной или поля. Эта возможность обеспечивает экономное использование памяти, поскольку в одной и той же области могут храниться значения из нескольких полей одной структуры.

Явные преобразования типов

Существуют правила присвоения имен переменных, применение которых позволяет неявно преобразовывать типы данных. В некоторых случаях удобнее явное преобразование, чем обычная операция приведения типов.

Уникальные особенности функций

Язык C++ должен понравиться программистам, работавшим ранее с языками Pascal, Modula-2 и Ada, поскольку позволяет задавать имена и типы параметров функций непосредственно внутри круглых скобок, следующих за именем функции. Например:

void* dupmen(void *dest, int c, unsigned count)
{
.
.
.
}

В языке С после принятия стандарта ANSI также появилась возможность использования таких выражений.

Транслятор языка C++ проверяет соответствие фактических типов значений, переданных в функцию, формальным типам аргументов функции. Также выполняется проверка соответствия типа возвращаемого значения типу переменной, которой присваивается это значение. Подобная проверка типов не предусмотрена в большинстве версий языка C.

Значения параметров функций по умолчанию

В C++ можно присваивать параметрам функций значения по умолчанию. В этом случае параметры, для которых значения не заданы явно, получают их автоматически в соответствии с установками по умолчанию.

void function_with_default_argument_values( char cValue,
int iValue = 0)...

Функция может быть вызвана двумя способами:
function_with_default_argument_values('A'); // или
function_with_default_argument_values(cVariable); // или
function_with_default_argument_values('A', 10); // или
function_with_default_argument_values(cVariable, iVariable);

В первых двух строках вызова функции формальный аргумент iValue будет иметь значение по умолчанию, то есть 0, тогда как в последних двух строках вызова функции для аргумента iValue применяются фактические значения. Значение по умолчанию, присваиваемое формальному аргументу, позволяет гарантировать, что вызов подпрограммы не приведет к аварийной ситуации в тех случаях, когда в вызывающей программе содержатся критические логические элементы.

Списки аргументов переменного размера

В C++ с помощью многоточия (...) могут быть описаны функции с неопределенным набором параметров. Контроль за типами параметров таких функций не ведется, что повышает гибкость их использования.

Использование ссылок на аргументы функций

С помощью оператора & можно задать передачу аргументов функции по ссылке, а не по значению. Например:

int i;
increment(i);
.
.
.
void increment(int &variable_reference)
{
variable_reference++; }

Поскольку параметр variable_reference определен как ссылка, его адрес присваивается адресу переменной i при вызове функции increment(). Последняя выполняет приращение значения параметра, записывая его в переменную i. При этом, в отличие от языка C, нет необходимости в явной передаче адреса переменной i функции increment().

Макроподстановка функций!

Ключевое слово inline говорит о том, что при раскрытии вызова функции компилятор должен не записывать ссылку на нее, а выполнять подстановку ее кода целиком, что повышает быстродействие программы, если объем функций невелик.

Операторы new и delete

Новые операторы new и delete языка C++ позволяют выделять и удалять в программе динамические области памяти.

Указатели типа void

В языке C++ тип void используется для обозначения того, что функция не возвращает никаких значений. Указатель, имеющий тип void, может быть присвоен любому другому указателю базового типа.

Ключевые различия между C и C++

Наиболее существенное отличие C++ от C состоит в использовании концепции объектно-ориентированного программирования. Ниже рассмотрены связанные с этим новые средства языка C++.

Классы и инкапсуляция данных

Классы являются основой объектно-ориентированного программирования. Определение класса включает в себя объявления всех полей, возможно, с начальными значениями, а также описания функций, предназначенных для манипулирования значениями полей. Такие функции называются методами. Объекты являются переменными типа класса. Каждый объект может содержать собственные наборы закрытых и открытых данных.

Структуры в роли классов

Структура представляет собой класс, все члены которого являются открытыми, то есть закрытые и защищенные разделы отсутствуют. Такой класс может содержать как поля данных (что предполагается в стандарте ANSI C), так и функции.

Конструкторы и деструкторы

Конструкторы и деструкторы являются специальными методами, предназначенными для создания и удаления объектов класса. При объявлении объекта вызывается конструктор инициализации. Деструктор автоматически удаляет из памяти указанный объект, когда тот выходит за пределы своей области видимости.

Сообщения

Основным средством манипуляции объектами являются сообщения. Сообщения посылаются объектам (переменным типа класса) посредством особого механизма, по действию напоминающего вызов функции. Набор сообщений, которые могут посылаться объектам класса, задается при описании этого класса. Каждый объект отвечает на полученное сообщение, выполняя определенные действия. Например, если есть объект Palette_Colors, для которого задан метод SetNumColors_Method, требующий указания одного целочисленного параметра, то передача объекту сообщения будет выглядеть следующим образом:

Palette_Colors.SetNumColors_Method(16);

Дружественные функции

Концепция инкапсуляции данных в классе делает невозможным доступ к внутренним данным объекта извне. Другими словами, закрытые члены классов недоступны функциям, не являющимся членами этого класса. Но в C++ предусмотрена возможность объявления внешних функций и классов "друзьями" определенного класса. Дружественные функции, не являясь членами класса, получают доступ к описанным в нем переменным и методам.

Перегрузка операторов

Уникальной особенностью C++ является возможность изменения смысла большинства базовых операторов и функций языка, что позволяет применять их к объектам различных классов, а не только к данным стандартных типов. Например, обычно разные функции имеют разные имена, однако функции, выполняющие одни и те же действия, но по отношению к объектам различных типов, иногда удобнее называть одним именем. Компилятор находит нужную для вызова функцию на основе списка аргументов вызова. Ниже представлен пример вызова трех функций с общим именем total(), перегружаемых для массивов типов int, float и double.

int total(int isize, int iarray[]);
float total(int isize, float farray[]);
double total(int isize, double darray[]);
.
.
.

Поскольку три различные функции были объявлены под одним именем, компилятор выбирает нужную функцию на основании соответствия списка аргументов в вызывающем операторе списку параметров функции:

total(isize, iarray);
total(isize, farray);
....total(isize, darray);

Производные классы

Производный класс можно рассматривать как подкласс некоторого базового класса. Возможность порождения новых классов позволяет формировать сложные иерархические модели. Объекты производного класса наследуют все переменные и методы родительского класса, но в дополнение к ним могут содержать собственные переменные и методы.

Полиморфизм и виртуальные функции

Чтобы понять смысл термина полиморфизм, рассмотрим древовидную иерархию родительского класса и порожденных от него подклассов. Каждый подкласс в этой структуре может получать сообщения с одинаковым именем. Когда объект какого-либо подкласса принимает такое сообщение, он на основании типа и количества переданных параметров определяет, к какому классу относится данное сообщение, и предпринимает соответствующие действия. Если сообщения сразу нескольких классов в иерархии имеют одинаковый формат, считается, что сообщение относится к ближайшему классу в иерархии. Методы родительского класса, которые могут переопределяться в подклассах, называются виртуальными и создаются с указанием ключевого слова virtual.

Потоковые классы

Язык C++ содержит дополнительные средства ввода/вывода. Три объекта cin, cout и cerr, подключаемые к программе посредством файла iostream.h, служат для выполнения операций консольного ввода и вывода. Все операторы классов этих объектов могут быть перегружены в производных классах, создаваемых пользователем. Благодаря этой возможности операции ввода/вывода легко настраивать в соответствии с особенностями работы конкретного приложения.

Основные компоненты программ, созданных на языках C/C++

Возможно, вам приходилось слышать, что язык С очень трудно изучать. Действительно, первое знакомство с программой на языке C может поставить в тупик, но виной тому не сложность языка, а его несколько необычный синтаксис. Информации, изложенной в этой главе, достаточно, для того чтобы легко разбираться в синтаксисе языка C и даже создавать небольшие работоспособные программы. В следующем параграфе вы узнаете о пяти основных компонентах программы на С/С++.

Пять основных свойств хорошей программы на С/С++

Возможно, читатель знаком с технологией разработки программного обеспечения методом структурного программирования, предусматривающим составление IPO-диаграмм (Input/Process/Output - Ввод/Обработка/Вывод). IPO-диаграммы предназначены для решения классических задач программирования по вводу, обработке и выводу данных. Приведенный ниже список свойств программы сформирован в соответствии с указанной моделью и охватывает полный цикл разработки приложения. Программа должна:

ПРИМЕЧАНИЕ. В данной главе все программы на C используются только для демонстрации различий в синтаксисе между языками С и С++, а также для сопоставления старого стиля программирования с современными нормами ANSI/ISO C++.

Простейшая программа на языке C

Ниже показан пример простейшей программы на языке C, написанной в соответствии со старым стилем оформления кода.

/*
* simple.c
* Ваша первая программа, написанная на
* языке C.
* (c) К. Паппас и У. Мюррей, 2001
*/

#include <stdio.h>

int main()
{
printf(" Здравствуй, мир! ");
return(0); }

В этом маленьком тексте программы скрыто много интересного. Начнем с блока комментариев.

/*
* simple.c
* Ваша первая программа написанная на
* языке C.
* (c) К. Паппас и У. Мюррей, 2001
*/

Любую программу, написанную профессиональным программистом, всегда открывают комментарии. В языке C блок комментариев начинается символами /*, а заканчивается символами */. Все, что находится между ними, игнорируется компилятором.

Следующая строка, называемая директивой препроцессора, характерна для языка C:

#include <stdio.h>

Директивы препроцессора - это своего рода команды компилятору. В данном случае компилятор получает указание поместить в этом месте программы код, хранящийся в библиотечном файле stdio.h. Файлы с расширением .h называются заголовочными файлами и обычно содержат объявления различных констант и идентификаторов, а также прототипы функций. Хранение такого рода информации в отдельном файле облегчает доступ к ней из разных программ и улучшает структурированность программы.

Вслед за директивой препроцессора расположен блок описания функции:

int main()
{
.
.
.
return(0); /* или return 0; */
}

Все программы на языке C обязательно содержат функцию main(). С нее начинается выполнение программы, которое завершается вызовом инструкции return. Ключевое слово int слева от имени функции указывает на тип возвращаемых ею значений. В нашем случае возвращается целое число. Значение 0 в инструкции return будет воспринято как признак успешного завершения программы. Допускается использование инструкции return без круглых скобок.

Тело функции main() расположено между символами { и }, называемыми фигурными скобками. Фигурные скобки широко применяются для выделения в программе блоков инструкций. Это может быть тело функции, как в данном примере, тело цикла, например for или while, либо операторная часть условных конструкций if/else или switch/case.

В нашем случае тело функции main() помимо стандартного вызова инструкции return состоит из единственной команды, осуществляющей вывод на экран строки приветствия:

printf(" Здравствуй, мир! ");

Прототип функции printf() описан в файле stdio.h. Поскольку другие параметры не указаны, предложение будет выведено на экран монитора.

Простейшая программа на языке С++

В следующем примере выполняются те же действия, но на этот раз средствами языка C++.

//
// simple2.cpp
// Ваша первая программа,написанная на C++.
// (c) К. Паппас и У. Мюррей, 2001
//

#include "stdafx.h"
#include <iostream>

using namespace std;

int main(int argc, char* ardv[])
{
cout << " Здравствуй, мир! ";
return 0;
}

Между двумя предложенными вашему вниманию программами существует пять основных различий.

Первое различие связано с символами комментариев: во втором коде вместо пары символов /* */ употребляются символы //, расположенные в каждой строке комментария. В отличие от С-кода, где комментарии, состоящие из нескольких строк, могут быть заключены в единственную пару символов /* */, в коде на С++ символ комментария (//) действителен только для одной строки. Следовательно, каждая строка комментария должна начинаться с двух символов косой черты.

Перейдем ко второму различию. Имя файла в директиве #include было изменено на stdafx.h. Этот файл используется для создания предварительно скомпилированных заголовочного файла projname.pch и файла типов stdafx.obj. Файл stdafx.h необходим для включаемых системных файлов и файлов проекта. Файл stdafx.cpp содержит директиву препроцессора #include "stdafx.h", которая добавляет включаемые файлы для предварительно скомпилированных типов. Предварительное компилирование файлов любого типа, в том числе заголовочных, ускоряет компилирование программы, поскольку в дальнейшем компилируются только те файлы, по отношению к которым должна быть выполнена эта процедура. Каждая последующая компоновка проекта происходит быстрее, так как предварительно скомпилированные заголовочные файлы уже присутствуют.

Во втором коде для директивы #include указано имя файла iostream вместо stdio.h. Заголовочный файл stdio.h содержал специфические для С определения, необходимые для осуществления стандартных операций ввода/вывода. Синтаксис .h характерен для старого стиля. Файл iostream содержит специфические для С++ определения, необходимые для выполнения простых операций ввода/вывода. Имя файла без расширения .h соответствует последним требованиям стандарта ANSI/ISO С++.

Третье различие связано с использованием оператора объявления (добавления) пространства имен std, что также относится к разряду новых требований, сформулированных в стандарте ANSI/ISO С++ (мы еще вернемся к его обсуждению). Объявление пространства имен позволяет инкапсулировать определения, оно необходимо для предотвращения конфликтов имен переменных в программах большого объема. Все, что рассматривается как стандартная часть С++, входит в пространство имен std. Оператор using логически функционирует, как и директива #include, давая возможность использовать имена переменных без явного указания названия пространства имен.

Четвертое различие состоит в изменении списка аргументов функции main(). Аргументы этой функции - argc и argv[] - позволяют программе принимать аргументы во время загрузки или из командной строки.

Наконец, пятое различие заключается в использовании другого оператора вывода - cout.

Рассматривая следующие примеры, мы продолжим обсуждать различия между кодами на C++ и C.

Переход от main к _tmain и от char* к _Tchar

В среде разработки Visual Studio .NET 7.0 компанией Microsoft введено понятие программного отображения общего текста (generic-text routine mappings). В заголовочном файле tchar определены макросы, или встраиваемые функции, отображения кодов символов для моделей MBCS (MultiByte Character Set - набор символов, каждый из которых представлен однобайтовым или двухбайтовым значением), SBCS (Single-Byte Character Set - набор однобайтовых символов) и Unicode. Эти функции задают представление символьных данных как значений ANSI ASCII с помощью одиночного байта или двух байтов в стандарте Unicode. При написании алгоритмов, предназначенных для работы со стандартом Unicode, все функции main() должны быть представлены в виде _tmain(), а указатели символов char* - в виде_TCHAR*.

Последние обновления в С++, сделанные комитетом ANSI/ISO

В процессе разработки стандартной библиотеки шаблонов STL комитет ANSI/ ISO нашел возможность внести некоторые изменения в стандарт языка С++. Эти изменения касаются в основном возможностей, которые присущи и другим языкам и до сих пор не были реализованы в традиционном С++. Указанные изменения содержатся в расширениях языка и не повлияют на программы, написанные ранее на С++.

Использование пространства имен

Пространство имен определяет область видимости констант, переменных, функций, классов и т. д. Идентификаторы пространства имен самого низкого уровня объявляются в пределах функции. С этим уровнем ассоциируются функции-члены и объявления методов. Более высокий уровень имеет пространство имен в пределах класса.

Область видимости файлов определяется пространством имен файлов. Например, если для создания исполняемого файла 123.exe необходимы файлы 1.cpp, 2.cpp и 3.cpp, то идентификаторы, объявленные в файле 1.cpp, будут невидимы (по умолчанию) для кода в файлах 2.cpp и 3.cpp.

Наиболее высокий уровень имеет пространство имен программы или рабочей области. Долгие годы такая иерархия позволяла создавать корректно работающие программы без конфликтов имен. Современные программы представляют собой комбинацию исходных файлов, созданных автором, компилятором, а также другими разработчиками. При таком положении вещей определения области видимости программы будет недостаточно для предотвращения конфликтов имен между категориями. Пространства имен позволяют защитить все идентификаторы в программе, что предотвращает разнообразные коллизии.

Опасность коллизии обычно существует для внешних глобальных идентификаторов, используемых повсеместно в программе. Эти глобальные имена являются видимыми для всех объектных модулей прикладной программы, внешних классов и библиотек, а также системных библиотек компилятора. Если две переменные в глобальной области видимости имеют одинаковые имена, компоновщик выдает сообщение об ошибке.

Многие разработчики компиляторов решают эту проблему за счет присваивания каждой переменной уникального идентификатора. Например, стандартный компилятор С добавляет знак подчеркивания в качестве префикса к каждому имени глобальной переменной, а программистам рекомендуется избегать такой формы написания для предотвращения конфликта имен.

Некоторые производители во избежание конфликтов снабжают имена глобальных переменных мнемоническим префиксом. Но даже такой метод окажется неэффективным, если два разработчика употребляют один и тот же префикс. Проблема в том, что язык не имеет встроенного механизма, который отделял бы глобальные идентификаторы от идентификаторов других библиотек, подключенных к приложению.

В распоряжении программиста имеются три способа предотвращения коллизий: модифицировать исходный код; убедить авторов кода, с которым сопряжены конфликты, изменить объявляемые имена; выбрать альтернативный код, выполняющий те же функции. Не слишком приятные перспективы!

Ключевое слово namespace в С++ позволяет ограничить область видимости переменных пространством имен. Если ссылки на глобальные имена, объявленные внутри блока, расположены за пределами этого блока, то они должны содержать идентификатор пространства имен. Фактически, это равноценно применению префиксов. Однако идентификаторы пространства имен, в отличие от двух- и трехсимвольных префиксов, состоят из большего числа символов, благодаря чему гарантия их корректной работы намного выше.